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Die Erfindung betrifft eine Turbine für einen Abgasturbolader mit zweiflutigem Turbinengehäuse und einem Linearventil zur Flutenverbindung und Wastegate-Steuerung.
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Ein Verbrennungsmotor 1, der von einem Abgasturbolader 2 aufgeladen wird, zeichnet sich durch die in der 1 dargestellte Anordnung der Führung von Frischluft und Abgasen aus. Im aufgeladenen Betrieb strömt das Abgas aus dem Verbrennungsmotor 1 über die Turbine 3, welche den Verdichter 4 im Ansaugtrakt vor dem Einlass des Motors 1 über eine gemeinsame Welle 5 antreibt. Durch die Verdichtung der Ansaugluft kann mehr Kraftstoff pro Zylinderhub zugemischt werden und das Drehmoment des Motors 1 wird erhöht.
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In der 1 sind aus Gründen der Übersichtlichkeit einige Elemente der Luftführung nicht dargestellt. Dies sind zum Beispiel ein vor dem Verdichter angeordneter Luftfilter, ein vor dem Verdichter angeordneter Luftmengenmesser, ein hinter dem Verdichter angeordneter Ladeluftkühler, ein Tank, eine hinter der Drosselklappe angeordnete Kurbelgehäuse-Entlüftung und ein hinter der Turbine angeordneter Katalysator. Auf eine Darstellung einer gegebenenfalls vorhandenen Abgasrückführung oder Sekundärlufteinblasung wurde ebenfalls verzichtet.
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Im aufgeladenen Betrieb ist die Drosselklappe 8 vollständig geöffnet. Die Regelung der Aufladung kann zum Beispiel durch Abblasen eines Teils des Abgasmassenstroms durch ein Wastegate-System 7 erfolgen. Auf der Verdichterseite ist desweiteren ein sogenanntes Schubumluft-System 6 angeordnet, über das überschüssige, verdichtete Ansaugluft abgeblasen und in den Ansaugtrakt zurückgeführt werden kann.
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In der 2 ist eine mögliche Ausführungsform eines Abgasturboladers 2 nach dem Stand der Technik dargestellt. Diese Darstellung enthält einen Schnitt im Bereich des Wastegate-Systems. Das genannte Wastegate-System 7 ist im Turbinengehäuse 9 angeordnet. Das Wastegate-System 7 wird über einen Wastegate-Aktuator 10 betätigt, der unter Verwendung eines Halters am Verdichtergehäuse 11 befestigt ist. Zwischen dem Turbinengehäuse 9 und dem Verdichtergehäuse 11 befindet sich eine Rumpfgruppe 12, in welcher die gemeinsame Welle von Turbinenrad und Verdichterrad untergebracht ist.
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Die 3 zeigt das Wastegate-System in einer Draufsicht sowie in einer Schnittdarstellung der Seitenansicht. Dargestellt ist die Wastegate-Öffnung 13 im Turbinengehäuse 9, die über einen Wastegate-Klappenteller 14 freigegeben oder verschlossen werden kann. So kann bei Bedarf ein Teil des Abgasmassenstroms am Turbinenrad vorbei geleitet werden. Die Öffnungs- bzw. Schließ-Betätigung der Klappe 14 erfolgt über eine Linearbewegung einer Regelstange 15, die von einem pneumatischen oder elektrischen Aktuator gesteuert wird. Diese Linearbewegung wird über eine Verbindungsplatte 16 an einen äußeren Wastegatehebel 17 übertragen. Die in einer Buchse 18 gelagerte Wastegatespindel 19 überträgt die Drehbewegung auf den Wastegate-Klappenteller 14. Aufgrund der linear geführten Regelstange 15 ist zusätzlich ein Ausgleichsgelenk 20 in der Kinematik erforderlich, um einen Schränkungsausgleich zu gewährleisten.
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Die vorstehenden Ausführungen beziehen sich auf Abgasturbolader mit einflutigem Turbinengehäuse. Diese werden auch als Monoscroll-Turbinen bezeichnet. Diese Technologie hat den Nachteil, dass sich die einzelnen Zylinder des Verbrennungsmotors bei einem Ladungswechsel negativ beeinflussen. Dies wirkt sich nachteilig auf den Abgasgegendruck und den Gaswechsel des Motors aus, wodurch wiederum dessen Verbrauch, Ansprechverhalten und Nennleistung verschlechtert wird.
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Um dieses Problem zu beheben werden zweiflutige Turbinengehäuse verwendet. Dabei unterscheidet man zwischen Segmented-Scroll-Turbinen und Twin-Scroll-Turbinen, wie es in der 4 veranschaulicht ist.
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Beide Turbinen enthalten eine Trennwand 21, die zwischen den beiden Fluten 22 und 23 vorgesehen ist. Bei der Segmented-Scroll-Turbine (linkes Bild) ist die Trennwand so angeordnet, dass das Rad von beiden Fluten auf je 180° über die volle Radeintrittsbreite beaufschlagt wird. Bei der Twin-Scroll-Turbine (rechtes Bild) ist die Trennwand in radialer Richtung zum Turbinenrad angeordnet, wodurch dieses von beiden Fluten auf 360° auf je 50% der Radeintrittsbreite beaufschlagt wird. Bei beiden Turbinen-Bauarten kommt, wie es aus der 5 ersichtlich ist, ein Abgaskrümmer 24 zum Einsatz, bei dem bei Vierzylinder-Motoren jeweils zwei Zylinder und bei Sechszylinder-Motoren jeweils drei Zylinder zu einem Strang zusammengefasst sind. Jeder Strang ist wiederum mit einer Flut des zweiflutigen Turbinengehäuses verbunden. Dadurch wird gewährleistet, dass sich die Abgaspulse der einzelnen Zylinder möglichst wenig negativ beeinflussen. In der 5 ist der Abgaskrümmer eines Vierzylinder-Motors veranschaulicht, bei welchem jeweils zwei Zylinder zu einem Strang zusammengefasst sind. So sind die Abgasleitungen 26 und 29 des ersten und vierten Zylinders zu einem Strang zusammengefasst. Des Weiteren sind die Abgasleitungen 27 und 28 des zweiten und dritten Zylinders zu einem Strang zusammengefasst. Die Abgasströme 25 sind durch entsprechende Pfeile gekennzeichnet.
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Eine Ladedruckregelung bei Abgasturboladern mit zweiflutigen Turbinen erfolgt wie bei Monoscroll-Turbinen durch Abblasen von überschüssigen Abgasen über ein Wastegate-Ventil. Zu einer weiteren Reduzierung der Ladungswechselverluste bei Abgasturboladern mit zweiflutigen Turbinengehäusen ist eine schaltbare Flutenverbindung vorteilhaft. Dabei handelt es sich wie beim Wastegate-Ventil um ein Ventil, das bei Bedarf ein Überströmen von Abgas von Flute zu Flute ermöglicht. Die Verwendung eines zweiten Ventils wirkt sich allerdings nachteilig auf die Kosten und den Bauraum des Abgasturboladers aus.
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Um diese Nachteile zu vermeiden ist es bereits bekannt, die Funktionalitäten von Wastegate und Flutenverbindung unter Verwendung eines einzigen Ventils zu realisieren.
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Eine mögliche Ausführungsform eines derartigen Wastegate-Ventils für eine zweiflutige Turbine ist in der 6 dargestellt. Aus dieser Darstellung sind die beiden Fluten 22 und 23 des Turbinengehäuses 9 sowie die beiden Wastegate-Auslässe 30 ersichtlich. Sowohl die Fluten als auch die Wastegate-Auslässe sind durch eine Trennwand 21 voneinander getrennt. Somit können beide Fluten über ein gemeinsames Wastegate-Ventil 32 betätigt werden, wobei bei einer Öffnung des Wastegate-Ventils auch die beiden Fluten 22 und 23 über die Wastegate-Auslässe 30 fluidtechnisch miteinander verbunden werden. Zur Verstellung des Wastegate-Ventils ist ein Verstellarm 33 vorgesehen, welcher rotatorisch betätigt wird. Die Hauptfunktion dieser Ausführungsform ist eine Regulierung des Wastegate-Massenstroms beider Fluten mit einem Ventil.
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Aus der
DE 10 2013 002 894 A1 und
DE 10 2010 008 411 A1 ist jeweils eine Turbine für einen Abgasturbolader bekannt, welche ein Turbinengehäuse aufweist, in welchem zwei von Abgas durchströmbare Fluten vorgesehen sind, und welches des Weiteren einen Umgehungskanal aufweist. Ferner ist jeweils ein Ventil vorgesehen, welches im geschlossenen Zustand sowohl die Flutenverbindung als auch den Umgehungskanal sperrt und im geöffneten Zustand sowohl die Flutenverbindung als auch den Umgehungskanal öffnet. Diese Ventile sind translatorisch oder rotatorisch bewegbar. Bei rotatorischer Betätigung weist das Ventil einen um einen Drehpunkt schwenkbaren Schwenkarm auf, an dessen Endbereich ein Klappenteller befestigt ist und der im Fall der
DE 10 2013 002 894 A1 durch einen kugelsegmentförmigen Körper erweitert ist.
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Bei Verwendung eines derartigen rotatorisch schwenkbaren Schwenkarmes besteht ein limitierter Freiheitsgrad bei der Gestaltung eines gegebenenfalls vorhandenen, in die Wastegate-Öffnung eintauchenden Ventilkörpers 36. Dies wird anhand der 7 und 8 erläutert, in welchen die Bewegung eines Ventilkörpers 36 veranschaulicht ist. Aus diesen Figuren ist ersichtlich, dass die Bewegung des Ventilkörpers 36 durch einen gestrichelt dargestellten Kreis limitiert ist. Folglich muss die Außenkontur des Ventilkörpers 36 derart gewählt werden, dass der Ventilkörper 36 bei seiner Bewegung die Kreislinie nicht nach außen überschreitet. Dies hat beispielsweise den Nachteil, dass die Form des Ventilkörpers 36 nicht zylinderförmig sein kann.
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Im Fall der
DE 10 2010 008 411 A1 ist in einem Ausführungsbeispiel zwischen den Fluten und dem Bypass ein translatorisch verstellbares Ventil vorgesehen, welches einen Schaft, einen Deckel und einen Klappenteller aufweist. In einer ersten Stellung dieses Ventils sind die Fluten fluidtechnisch voneinander getrennt und der Bypass geschlossen. In einer zweiten Stellung dieses Ventils sind die Fluten fluidtechnisch miteinander verbunden und der Bypass ist geschlossen. In einer dritten Stellung dieses Ventils sind die Fluten fluidtechnisch miteinander verbunden und der Bypass ist geöffnet. Die bekannten translatorisch betätigten Wastegate-Ventile haben den Nachteil, dass ein erforderlicher Betätigungsschaft auf einer bestimmten Länge im Gehäuse geführt werden muss, was in der Regel eine raumgreifende Konstruktion erforderlich macht.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Turbine für einen Abgasturbolader mit einem zweiflutigen Gehäuse und einem Linearventil anzugeben, dessen Arbeitsweise verbessert und dessen Platzbedarf verringert ist.
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Diese Aufgabe wird durch eine Turbine mit den im Anspruch 1 abgegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Demgemäß wird eine Turbine für einen Abgasturbolader vorgeschlagen mit einem Turbinengehäuse, welches zwei von einem Abgas durchströmbare Fluten aufweist, zwischen denen eine Trennwand vorgesehen ist. Die Turbine weist nur ein, als Linearventil ausgebildetes Wastegate-Ventil für beide Fluten auf, welches ein Linearventilelement aufweist und dadurch gekennzeichnet ist, dass das Linearventilelement in der Trennwand aufgenommen ist und in seiner Axialrichtung in der Trennwand beweglich geführt ist.
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Die Vorteile einer Turbine mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen bestehen insbesondere darin, dass im Betrieb der Turbine aufgrund der Führung des Linearventilelements in der Trennwand zwischen den beiden Fluten eine exakte Führung des Linearventilelements bei gleichzeitig sehr platzsparender Anordnung gewährleistet ist. Durch die exakte Führung des Verstellarmes des Ventils innerhalb der Trennwand zwischen den beiden Fluten ist sichergestellt, dass der Ventilteller in einer ersten Ventilstellung exakt auf seinem Sitz aufliegt, so dass die Fluten zuverlässig und vollständig fluidtechnisch voneinander getrennt sind, und dass in der zweiten Ventilstellung das Ventil vollständig geöffnet ist. Der erheblich verringerte Platzbedarf wird dadurch erzielt, dass eine Führung des Linearventilelements zumindest teilweise innerhalb der bei zweiflutigen Turbinen ohnehin vorhandenen Trennwand des Turbinengehäuses erfolgt. Weitere Vorteile einer Turbine mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung anhand der 9 bis 27. Es zeigt:
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9 eine Schnittdarstellung zur Veranschaulichung eines ersten Ausführungsbeispiels für die Erfindung,
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10 eine Schnittdarstellung zur Veranschaulichung eines zweiten Ausführungsbeispiels für die Erfindung,
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11 eine weitere Schnittdarstellung des zweiten Ausführungsbeispiels entlang der in der 10 gezeigten Schnittlinie B-B,
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12 ein Diagramm zur Veranschaulichung eines ersten Beispiels für einen bevorzugten Querschnittsflächenverlauf von Wastegate-öffnungsquerschnitt und Flutenverbindungsquerschnitt,
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13 ein Diagramm zur Veranschaulichung eines zweiten Beispiels für einen bevorzugten Querschnittsflächenverlauf von Wastegate-öffnungsquerschnitt und Flutenverbindungsquerschnitt,
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14 eine perspektivische Darstellung eines Linearventilelements gemäß 10 und 11,
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15 Beispiele für unterschiedliche Geometrien eines Ventilkörpers eines Linearventilelements,
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16 Beispiele für an ihrer Außenkontur modifizierte Ventilkörper eines Linearventilelements,
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17 eine Schnittdarstellung zur Veranschaulichung eines dritten Ausführungsbeispiels für die Erfindung,
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18 eine Schnittdarstellung zur Veranschaulichung eines Gesamtaufbaus eines Ausführungsbeispiels mit einem als Linearventil ausgebildeten Wastegate-Ventils,
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19 eine Schnittdarstellung zur Veranschaulichung eines vierten Ausführungsbeispiels für die Erfindung,
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20 eine weitere Schnittdarstellung des vierten Ausführungsbeispiels entlang der in der 19 gezeigten Schnittlinie B-B,
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21 eine perspektivische Darstellung eines weiteren Linearventilelements,
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22 eine Darstellungen zur Veranschaulichung des Querschnittsflächenverlaufes des Flutenverbindungsquerschnitts in Abhängigkeit vom Ventil-Öffnungshub des Linearventilelements,
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23 eine Schnittdarstellung zur Veranschaulichung eines fünften Ausführungsbeispiels für die Erfindung,
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24 eine Schnittdarstellung zur Veranschaulichung eines sechsten Ausführungsbeispiels für die Erfindung,
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25 eine Schnittdarstellung zur Veranschaulichung des sechsten Ausführungsbeispiels bei weiter geöffnetem Linearventil,
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26 Darstellungen zur Veranschaulichung verschiedener Konturen im Bereich des Auslasstrichters des Wastegate-Ventils und
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27 Beispiele für modifizierte Konturen des Turbinengehäuses im Bereich des Auslasstrichters des Wastegate-Ventils.
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Funktions- und Benennungsgleiche Teile sind in den Figuren durchgängig mit denselben Bezugszeichen versehen.
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Die vorliegende Erfindung stellt eine Turbine für einen Abgasturbolader bereit, welcher ein Turbinengehäuse aufweist, das zwei von einem Abgas durchströmbare Fluten enthält, zwischen denen eine Trennwand vorgesehen ist. Des Weiteren ist ein als Linearventil ausgebildetes Wastegate-Ventil vorgesehen, welches ein Linearventilelement aufweist. Das Linearventilelement ist in der Trennwand geführt und ist in seiner Axialrichtung in der Trennwand beweglich geführt.
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Die 9 zeigt eine Schnittdarstellung zur Veranschaulichung eines ersten Ausführungsbeispiels für die Erfindung. Bei diesem ersten Ausführungsbeispiel sind im Turbinengehäuse 9 zwei von einem Abgas durchströmbare Fluten 22 und 23 vorgesehen. Zwischen diesen beiden Fluten befindet sich eine Trennwand 21. Des Weiteren sind im Turbinengehäuse 9 je ein Wastegate-Auslass 30 für jede Flute vorgesehen, die in einer gemeinsamen Wastegate-Öffnung zusammengefasst sind und in einen Auslasstrichter 31 münden. Das Wastegate-Ventil 32 ist als Linearventil 35 ausgeführt, das ein Linearventilelement 35a aufweist. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist ein das Wastegate-Ventil 32 wahlweise verschließendes oder öffnendes Linearventilelement 35a vorgesehen. Zu diesem Linearventilelement 35a gehören ein scheibenförmig ausgebildeter Ventilteller 34 und ein mit diesem fest verbundener oder einstückig ausgebildeter Verstellschaft 33. Dieser Verstellschaft 33 ist in der Trennwandebene durch die und in der Trennwand 21 des Turbinengehäuses 9 geführt und ist innerhalb dieser Trennwand 21 in seiner Axialrichtung beweglich geführt, wie es durch den bidirektionalen Pfeil in der 9 veranschaulicht ist.
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In der 9 ist ein als Linearventil 35 ausgeführtes Wastegate-Ventil 32 in seiner geschlossenen Position dargestellt, in welcher die beiden Fluten 22 und 23 fluidtechnisch voneinander getrennt sind und die in den Auslasstrichter 31 mündende Wastegate-Öffnung und somit die Wastegate-Auslässe 30 geschlossen sind.
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Wird der Verstellschaft 33 durch einen nicht gezeichneten Wastegate-Aktuator in der 9 nach links bewegt, dann wird auch der mit dem Verstellschaft 33 fest verbundene Ventilteller 34 nach links bewegt, so dass das Wastegate-Ventil 32 geöffnet wird. In dieser geöffneten Position des Wastegate-Ventils 32 sind die beiden Fluten 22 und 23 fluidtechnisch miteinander verbunden und die beiden Wastegate-Auslässe 30 geöffnet. Folglich strömt ein Teil des Abgases durch das in den Auslasstrichter 31 mündende Wastegate-Ventil am Turbinenrad vorbei.
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Demnach wird bei dem in der 9 gezeigten Ausführungsbeispiel die fluidtechnische Verbindung der beiden Fluten 22, 23 und die Öffnung des Wastegate-Ventils 32 nicht rotatorisch unter Verwendung einer Klappe, sondern translatorisch unter Verwendung eines Linearventils 35, bei dem es sich um einen Linearschieber handelt, herbeigeführt. Dabei wird der Verstellschaft 33 dieses Linearventils 35 zentrisch zu den Wastegate-Auslässen 30 durch die Trennwand 21 zwischen den beiden Fluten 22 und 23 und den beiden Wastegate-Auslässen 30 geführt. Vorzugsweise verläuft die Bohrung, durch welche der Verstellschaft 33 geführt ist, in der Trennwandebene mittig durch die Trennwand 21. Diese Führung des Verstellschaftes 33 in der Trennwand 21 gewährleistet eine sichere Führung des Verstellschaftes 33 und ermöglicht eine weitestgehend spielfreie Einstellung sowohl der geschlossenen Position des Linearventils 35 als auch ein gleichmäßiges Öffnen dieses Linearventils 35, wobei die in der geschlossenen Position auf dem Ventilsitz 34a aufliegenden Bereiche des Ventiltellers 34 gleichzeitig und damit spielfrei vom Ventilsitz 34a abgehoben werden.
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Zusammenfassend betrachtet wird in 9 eine Turbine 3 für einen Abgasturbolader 2 offenbart wie oben beschrieben, die dadurch gekennzeichnet ist, dass das Wastegate-Ventil 32 nur eine Wastegate-Öffnung 13 aufweist, in der die Wastegate-Auslässe 30 der beiden Fluten 22, 23 zusammengefasst sind, wobei die Wastegate-Öffnung 13 in einer ersten Ventilstellung durch das Linearventilelement 35a geschlossen ist und zumindest in einer zweiten Ventilstellung des Linearventilelements 35a geöffnet ist.
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Wobei die genannte Turbine weiterhin dadurch gekennzeichnet ist, dass das Linearventilelement 35a in der ersten Ventilstellung die beiden Fluten 22, 23 fluidtechnisch voneinander getrennt hält, und zumindest eine weitere Ventilstellung aufweist, in welcher eine fluidtechnische Verbindung der beiden Fluten 22, 23 miteinander, durch das Linearventilelement 35a freigegeben ist.
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Desweiteren ist die genannte Turbine dadurch gekennzeichnet, dass das Linearventilelement 35 zumindest einen Ventilteller 34, zum Verschließen der Wastegate-Öffnung 13 durch dichte Auflage des Ventiltellers (34) auf einem die Wastegate-Öffnung 13 umgebenden Ventilsitz (34a) und einen Verstellschaft 33 zur Betätigung des Linearventilelements 35a durch Axialverschiebung aufweist.
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Die 10 zeigt eine Schnittdarstellung durch die Ventilanordnung quer zum Verlauf der Fluten 22, 23, zur Veranschaulichung eines zweiten Ausführungsbeispiels für die Erfindung. Auch bei diesem zweiten Ausführungsbeispiel sind im Turbinengehäuse 9 zwei von einem Abgas durchströmbare Fluten 22 und 23 vorgesehen. Zwischen diesen beiden Fluten befindet sich eine Trennwand 21, die eine Trennwandausnehmung 21a zur Aufnahme eines Ventilkörpers 36 aufweist. Des Weiteren sind im Turbinengehäuse 9 Wastegate-Auslässe 30 vorgesehen, die im Bereich der Trennwandausnehmung 21a der Trennwand 21 in eine gemeinsame Wastegate-Öffnung übergehen und so in dieser zusammengefasst sind. Ferner ist auch beim gezeigten zweiten Ausführungsbeispiel ein Linearventil 35 mit einem Linearventilelement 35a vorgesehen. Zu dem Linearventilelement 35a gehören ein Ventilteller 34, ein Verstellschaft 33 und ein zwischen dem Ventilteller 34 und dem Verstellschaft 33 in einer Trennwandausnehmung 21a der Trennwand 21 und zugleich zentrisch in der Wastegate-Öffnung angeordneter Ventilkörper 36. Dabei ist ein Wastegate-Öffnungsquerschnitt, das heißt ein freigegebene Querschnitt, durch den Abgas aus der Wastegate-Öffnung abfließen kann, durch einen zwischen Außenumfang des Ventilkörpers 36 und Innenumfang der Wastegate-Öffnung 13 ausgebildeten Ventilspalt 13a bestimmt. Zugleich ist ein Flutenverbindungsquerschnitt, das heißt ein freigegebener Querschnitt der Flutenverbindung, durch den Abgas zwischen den Fluten ausgetauscht werden kann, durch die vom Ventil-Öffnungshub VH abhängige Freigabe der Trennwandausnehmung 21a durch den Ventilkörper 36 bestimmt.
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Der Verstellschaft 33 ist durch die Trennwand 21 des Turbinengehäuses 9 geführt und ist innerhalb dieser Trennwand 21 in seiner Axialrichtung bewegbar, wie es durch den bidirektionalen Pfeil in der 10 veranschaulicht ist. Der sich quer zur Längsrichtung des Verstellschafts 33 erstreckende Durchmesser des Ventilkörpers 36 ist größer als der Durchmesser des Verstellschafts 33, und zugleich kleiner als der sich ebenfalls quer zur Längsrichtung des Verstellarmes 33 erstreckende Querschnitt des Ventiltellers 34.
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Der Ventilteller 34, der Ventilkörper 36 und der Verstellschaft 33 können in Form eines einstückig integrierten Linearventilelements 35a realisiert sein. Alternativ dazu kann es sich bei den genannten Bauteilen auch um Einzelbauteile handeln, die montagetechnisch, beispielsweise durch Verschweißen, miteinander verbunden sind.
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Der Ventilkörper 36 ist in diesem Beispiel zylindrisch mit gleichbleibendem Durchmesser ausgeführt, weist einen kleineren Durchmesser auf als die Wastegate-Öffnung in der er angeordnet ist und erstreckt sich in der Wastegate-Öffnung und der Trennwandausnehmung 21a der Trennwand 21 über eine vorgegebene, bestimmte axiale Länge, so dass zwischen Ventilkörper 36 und Wastegate-Öffnung ein Ventilspalt 13a ausgebildet ist.
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Zugleich ist die Ausnehmung 21a der Trennwand 21 so ausgebildet, dass sie entlang der Längsseite des Ventilkörpers 36 möglichst dicht abschließt, wie in 11, die eine Schnittdarstellung der Ventilanordnung in Richtung der Trennwand zeigt, ersichtlich wird.
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Im geschlossenen Zustand des Linearventils 35 (nicht dargestellt) sitzt der Ventilteller 34 auf dem Ventilsitz 34a auf und schließt so die Wastegate-Öffnung dicht ab. Gleichzeitig ist die axiale Erstreckung des Ventilkörpers 36 so festgelegt, dass dieser auf seiner dem Verstellschaft 33 zugewandten Stirnseite auf dem Grund der Ausnehmung 21a in der Trennwand 21 aufsitzt und so die Ausnehmung 21a verschließt und die beiden Fluten 22, 23 trennt.
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Diese Ausführung ist besonders vorteilhaft, da bei einem Öffnen des Linearventils, also beim Abheben des Ventiltellers 34 vom Ventilsitz 34a, zunächst nur der Ventilspalt 13a, als vorgegebener kleiner Wastegate-Öffnungsquerschnitt, freigegeben wird. Bei einem weiteren Öffnen des Linearventils bleibt der freigegebene Wastegate-Öffnungsquerschnitt aufgrund der axialen Erstreckung des Ventilkörpers 36 bei gleichbleibendem Querschnitt des Ventilspalts 13a zwischen der Wastegate-Öffnung des Turbinengehäuses 9 und dem Ventilkörper 36 zunächst konstant. Erst wenn der Ventilkörper 36 vollständig, also über seine axiale Erstreckung hinaus, aus der Wastegate-Öffnung des Turbinengehäuses 9 hinausgeschoben ist, wird der freigegebene Wastegate-Querschnitt sprunghaft vergrößert.
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Mit dem Abheben des Ventiltellers 34 vom Ventilsitz 34a wird auch am Grund der Ausnehmung 21a ein Flutenverbindungsquerschnitt geöffnet. Der Flutenverbindungsquerschnitts steigt mit dem Öffnungshub des Linearventils linear an.
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Einer entsprechenden Ausführung der erfindungsgemäßen Turbine ist dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkörper 36 derart ausgebildet ist, dass ausgehend von der ersten, geschlossenen Ventilstellung des Linearventilelements 35a, bei einem kontinuierlich ansteigenden Ventil-Öffnungshub VH des Linearventilelements 35a, mittels Axialverschiebung des Verstellschaftes 33, der Wastegate-Öffnungsquerschnitt zunächst linear erhöht wird, dann über eine bestimmte Strecke des Ventil-Öffnungshubes VH konstant gehalten wird und dann erneut linear erhöht wird, bis eine Ventil-Endstellung erreicht ist.
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In Weiterführung des vorgenannten Ausführungsbeispiels ist die Turbine dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkörper 36 derart ausgebildet ist, dass ausgehend von der ersten, geschlossenen Ventilstellung des Linearventilelements 35a, bei einem kontinuierlich ansteigenden Ventil-Öffnungshub VH des Linearventilelements 35, mittels Axialverschiebung des Verstellschaftes 33, der Flutenverbindungsquerschnitt durchgehend kontinuierlich erhöht wird, bis ein maximaler Flutenverbindungsquerschnitt erreicht ist und dann konstant bleibt, bis eine Ventil-Endstellung erreicht ist.
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Ein mit der vorgenannten Anordnung angestrebter Flächenverlauf von freigegebenen Querschnittsflächen des Wastegate-Öffnungsquerschnitts und des Flutenverbindungsquerschnitts in Relation zum Ventil-Öffnungshub ist in der 12 dargestellt. Diese zeigt ein Diagramm zur Veranschaulichung eines ersten Beispiels für einen bevorzugten Querschnittsflächen-Verlauf über dem Ventil-Öffnungshub von freigegebenem Wastegate-Öffnungsquerschnitt und Flutenverbindungsquerschnitt. Dabei ist nach oben die freigegebene Querschnittsfläche und nach rechts der Ventil-Öffnungshub des Linearventils aufgetragen.
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Der in der 12 gezeigte gestrichelte Verlauf zeigt den Flutenverbindungsquerschnitt und veranschaulicht, dass der Flutenverbindungsquerschnitt mit zunehmender Öffnung des Linearventils 35 linear zunimmt, bis der maximale Öffnungsquerschnitt erreicht ist und dann konstant bleibt, bis das Linearventil 35 vollständig geöffnet ist.
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Der in der 12 mit einer durchgezogenen Linie gezeichnete Verlauf zeigt den Wastegate-Öffnungsquerschnitt und veranschaulicht, dass der Wastegate-Öffnungsquerschnitt sich in drei Bereiche aufteilt. Bei nur kleinem Öffnungshub des Linearventilelements 35a, wie sie in einem Bereich 1 vorliegt, gibt das Linearventil 35 möglichst rasch einen kleinen Wastegate-Öffnungsquerschnitt frei, der aber größer ausfällt als die freigegebene Fläche an der Flutenverbindung. In diesem Bereich erfolgt die Erhöhung des freigegebenen Wastegate-Öffnungsquerschnitts linear. Diese Konstellation ist vor allem bei niedrigen Motordrehzahlen und hohen Motorlasten vorteilhaft. Hier steht der Turbine nur ein geringer Abgasmassenstrom zur Verfügung. Trotzdem muss der Verdichter hohe Ladedrücke bereitstellen, was eine hohe Turbinenleistung erfordert. Durch die nahezu vollständige Flutentrennung kann trotz niedriger Abgasmengen ein hoher Druck vor der Turbine aufgestaut werden. So kann die nötige Energie für den Verdichter bereitstellt werden. Zudem ermöglicht die Flutentrennung bei niedrigen Motordrehzahlen einen effizienten Betrieb des Verbrennungsmotors durch optimale Trennung der Zylinder des Verbrennungsmotors und somit niedrige Restgasanteile. Wird zur Ladedruckregelung das Linearventil des Wastegates weiter geöffnet, dann bleibt die Flutentrennung durch den dominanteren Anstieg des Wastegate-Öffnungsquerschnitts im Bereich 1 nahezu erhalten.
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Beim weiteren Öffnen des Linearventils 35, wie es in der 12 im Bereich 2 vorliegt, wird der freigegebene Wastegate-Öffnungsquerschnitt konstant gehalten. Dies ist vor allem im mittleren Motordrehzahlbereich und hohen Motorlasten vorteilhaft. So kann der Grad des Flutenverbindungsquerschnitts optimal an die Motorbedürfnisse angepasst werden.
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Erst dann, wenn der Flutenverbindungsquerschnitt vollständig freigegeben ist, d.h. in dem in der 12 gezeigten Bereich 3, erfolgt eine linear verlaufende weitere Erhöhung des Wastegate-Öffnungsquerschnitts solange, bis das Linearventil 35 vollständig geöffnet ist. Dies ist vor allem bei hohen Motordrehzahlen und hohen Motorlasten vorteilhaft. Durch die hohen Leistungen, die hier am Turbolader umgesetzt werden müssen, ist ein möglichst hoher Turbinenwirkungsgrad essentiell. Dies wird durch die Flutenverbindung ermöglicht. So kann möglichst viel Abgasmassenstrom über die Turbine geführt werden ohne dass der Abgasgegendruck vor der Turbine die zulässigen Grenzen überschreitet. Die Einstellung der Turbinenleistung kann wie gewohnt über das Wastegate-Ventil realisiert werden, da sich der Flutenverbindungsquerschnitt in diesem Bereich nicht mehr ändert.
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Die 13 zeigt ein Diagramm zur Veranschaulichung eines zweiten Beispiels für einen bevorzugten Querschnittsflächenverlauf von Wastegate-Öffnungsquerschnitt und Flutenverbindungsquerschnitt.
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Auch bei diesem zweiten Beispiel ist nach oben die freigegebene Querschnittsfläche und nach rechts der Ventil-Öffungshub des Linearventilelements 35a aufgetragen.
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Der in der 13 gezeigte gestrichelte Verlauf veranschaulicht, dass der Flutenverbindungsquerschnitt erst verzögert freigegeben wird, dann mit zunehmender Öffnung des Linearventils 35 linear zunimmt, bis der maximale Flutenverbindungsquerschnitt erreicht ist, und schließlich konstant bleibt, bis das Linearventil 35 vollständig geöffnet ist.
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Der in der 13 mit einer durchgezogenen Linie gezeichnete Verlauf veranschaulicht, dass der Wastegate-Öffnungsquerschnit mit dem in der 12 gezeigten Verlauf übereinstimmt. Er teilt sich in drei Bereiche auf. Bei nur kleiner Öffnung des Linearventils 35, wie sie im Bereich 1 vorliegt, gibt das Linearventil 35 möglichst rasch einen kleinen Wastegate-Öffnungsquerschnitt frei, wobei in diesem Bereich die Erhöhung des freigegebenen Wastegate-Öffnungsquerschnitts linear erfolgt.
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Diese Konstellation ist vor allem bei niedrigen Motordrehzahlen und hohen Motorlasten vorteilhaft. Hier steht der Turbine nur ein geringer Abgasmassenstrom zur Verfügung. Trotzdem muss der Verdichter hohe Ladedrücke bereitstellen, was eine hohe Turbinenleistung erfordert. Durch die vollständige Flutentrennung kann trotz niedriger Abgasmengen ein hoher Druck vor der Turbine aufgestaut werden. So kann die nötige Energie für den Verdichter bereitstellt werden. Zudem ermöglicht die vollständige Flutentrennung bei niedrigen Motordrehzahlen einen effizienten Betrieb des Verbrennungsmotors durch optimale Trennung der Zylinder des Verbrennungsmotors und somit niedrige Restgasanteile. Wird zur Ladedruckregelung das Linearventil 35 des Wastegate-Ventils weiter geöffnet, bleibt die Flutentrennung durch den verzögerten Anstieg des Flutenverbindungsquerschnitts im Bereich 1 erhalten.
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Beim weiteren Öffnen des Linearventils 35, wie es in der 13 im Bereich 2 vorliegt, wird der freigegebene Wastegate-Öffnungsquerschnitt konstant gehalten. Dies ist vor allem im mittleren Motordrehzahlbereich und hohen Motorlasten vorteilhaft. So kann der Grad der der Flutenverbindung optimal an die Motorbedürfnisse angepasst werden.
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Erst dann, wenn der Flutenverbindungsquerschnitt vollständig freigegeben ist, d.h. in dem in der 13 gezeigten Bereich 3, erfolgt eine linear verlaufende weitere Erhöhung des Wastegate-Öffnungsquerschnitts solange, bis das Linearventil 35 vollständig geöffnet ist.
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Dies ist, wie bereits zu 12 erläutert vor allem bei hohen Motordrehzahlen und hohen Motorlasten vorteilhaft.
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Um einen Querschnittsflächenverlauf, wie er in der 13 veranschaulicht ist, zu ermöglichen, wird vorzugsweise eine Modifikation des in der 10 und 11 gezeigten zylinderförmigen Ventilkörpers 36 vorgenommen.
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Eine entsprechend ausgelegte Turbine ist dadurch gekennzeichnet, dass die kontinuierliche Erhöhung des Flutenverbindungsquerschnitts erst nach Überschreitung eines vorgegebenen Ventil-Öffnungshubes VH, also verzögert gegenüber der Öffnung des Wastegate-Öffnungsquerschnitts, beginnt.
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Dies ist in der 17 gezeigt, welche eine Schnittdarstellung wie in 10 zur Veranschaulichung eines dritten Ausführungsbeispiels für die Erfindung offenbart. Bei diesem dritten Ausführungsbeispiel weist der Ventilkörper 36 in seinem der Trennwand 21 zugewandten Endbereich eine nutförmige Ausnehmung 37 auf, in welche in der geschlossenen Position des Linearventils die Trennwand 21 eingreift, so dass es über einem begrenzten Hubbereich des Linearventilelements zu einer Überdeckung der Trennwand 21 mit der nutförmigen Ausnehmung 37 kommt, so dass beim Öffnen des Linearventils der Flutenverbindungsquerschnitt erst nach Überschreitung eines vorgegebenen Ventil-Öffnungshubes VH, also verzögert gegenüber der Öffnung des Wastegate-Öffnungsquerschnitts freigegeben und kontinuierlich erhöht wird.
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Die 14 zeigt eine perspektivische Darstellung eines Linearventilelements 35a, mittels welchem der in der 12 veranschaulichte Verlauf der freigegebenen Öffnungsquerschnitte erzielbar ist. Dieses Linearventilelement 35a stimmt mit dem in der 10 gezeigten Linearventilelement 35a weitgehend überein. Es weist einen Verstellschaft 33, einen zylindrischen Ventilkörper 36 und einen Ventilteller 34 auf.
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Die 15 zeigt weitere Beispiele für Linearventilelemente, mittels welchen ähnliche oder auch zu den in der 12 gezeigten Öffnungsverläufen unterschiedliche Öffnungsverläufe erzielbar sind. Bei diesen weiteren Beispielen ist der Ventilkörper 36 anders geformt als bei dem in der 14 gezeigten Ausführungsbeispiel. Die 15a zeigt ein Linearventilelement, bei welchem der Ventilkörper 36 mit einem ellipsenförmigen Querschnitt ausgebildet ist. Die 15b zeigt ein Linearventilelement, bei welchem der Ventilkörper 36 kegelförmig ausgebildet ist. Die 15c zeigt ein Linearventilelement, bei welchem der Ventilkörper 36 kegelstumpfförmig ausgebildet ist. Die 15d zeigt ein Linearventilelement, bei welchem der Ventilkörper 36 pyramidenstumpfförmig ausgebildet ist. Die 15e zeigt ein Linearventilelement, bei welchem der Ventilkörper 36 pyramidenförmig ausgebildet ist. Die 15f zeigt ein Linearventilelement, bei welchem der Ventilkörper 36 quaderförmig ausgebildet ist.
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Die 16 zeigt Beispiele für modifizierte Linearventilelemente, bei denen der jeweilige Ventilkörper 36 zwecks Feinjustierung des Durchflussverhaltens kleine Modifikationen am Außenumfang aufweist. Diese Modifikationen dienen zur Vergrößerung oder Anpassung der freigegebenen Querschnittsfläche zwischen Ventilkörper und Wastegate-Öffnung in dem in den 12 und 13 gekennzeichneten Öffnungsbereich 2 des Linearventils.
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Die 16a veranschaulicht Modifikationen in Form von halbrunden, in axialer Richtung verlaufenden, über den Umfang des Ventilkörpers 36 verteilten Einkerbungen. Die 16b zeigt Modifikationen in Form von keilförmigen in axialer Richtung verlaufenden, über den Umfang des Ventilkörpers 36 verteilten Einkerbungen. Die 16c zeigt Modifikationen in Form von bogenförmigen in axialer Richtung verlaufenden, über den Umfang des Ventilkörpers 36 verteilten Ausfräsungen. Die 16d zeigt Modifikationen in Form von halbelliptischen in axialer Richtung verlaufenden, über den Umfang des Ventilkörpers 36 verteilten Ausnehmungen. Die 16e zeigt Modifikationen bei denen der Ventilkörper als Hohlzylinder ausgebildet und mit einer senkrecht zur Ventilkörperachse verlaufenden Durchgangsbohrung ausgestattet ist. Die 16f zeigt Modifikationen in Form von sägezahnförmigen in axialer Richtung verlaufenden, über den Umfang des Ventilkörpers 36 verteilten Einkerbungen.
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Die Modifikationen der Ventilkörper gemäß der 16a), b), c), d) und f) können sich in gleicher Tiefe über die gesamte oder nur einen Teil der axialen Länge des Ventilkörpers erstrecken. Auch Modifikationen mit Einkerbungen, Ausnehmungen oder Ausfräsungen, deren Tiefe sich über die axiale Erstreckung hinweg verändert können vorgesehen werden.
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Die zu einer Veränderung der Öffnungsposition des Linearventils 35 notwendige Verstellung des Verstellschafts 33 erfolgt beispielsweise unter Verwendung eines Linearaktuators 38 und eines Ausgleichsgelenkes 20. Dies ist in der 18 veranschaulicht. Diese zeigt eine vereinfachte Schnittdarstellung durch einen Abgasturbolader mit einem erfindungsgemäßen, als Linearventil 35 ausgeführten, Wastegate-Ventils, zur Veranschaulichung eines Ausführungsbeispiels für die Ansteuerung des Linearventils 35.
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Aus dieser Schnittdarstellung ist ersichtlich, dass im Turbinengehäuse 9 zwei Fluten 22 und 23 vorgesehen sind, die mittels einer Trennwand 21 und eines Linearventils 35 fluidtechnisch voneinander getrennt sind. Das Linearventil 35 weist einen Ventilteller 34, einen Ventilkörper 36 und einen Verstellschaft 33 auf. Das Linearventilelement 35a ist an seinem Verstellschaft 33 über ein Ausgleichsgelenk 20 mit einem Linearaktuator 38 verbunden, welcher den Verstellschaft 33 über das Ausgleichsgelenk 20 in seiner Längsrichtung bewegt. Der Linearaktuator 38 ist am Verdichtergehäuse 11 des Abgasturboladers befestigt, innerhalb dessen das Verdichterrad 39 angeordnet ist. Dieses ist über die Welle 5 mit dem Turbinenrad 40 verbunden. Die Welle 5 ist in einem Lagergehäuse 41 gelagert.
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Die 19 zeigt eine Schnittdarstellung senkrecht zum Verlauf der Fluten 22 und 23 sowie der Trennwand 21 durch ein Linearventil zur Steuerung des Flutenverbindungsquerschnitts und des Wastegate-Öffnungsquerschnitts, zur Veranschaulichung eines vierten Ausführungsbeispiels für die Erfindung. Die 20 zeigt eine Schnittdarstellung des vierten Ausführungsbeispiels entlang der in der 19 gezeigten Schnittlinie B-B, also in Richtung des Fluten- und Trennwandverlaufs. Desweiteren zeigt 21 eine perspektivische Darstellung des anhand der 19 und 20 erläuterten Linearventils 35.
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Bei dem vierten Ausführungsbeispiel ist demnach die Turbine dadurch gekennzeichnet dass das Linearventilelement 35a zumindest einen Ventilteller 34, zum Verschließen der Wastegate-Öffnung 13 durch dichte Auflage des Ventiltellers 34 auf einem die Wastegate-Öffnung 13 umgebenden Ventilsitz 34a und einen Verstellschaft 33 zur Betätigung des Linearventilelements 35a durch Axialverschiebung aufweist. Weiterhin mündet die Wastegate-Öffnung in einen Auslasstrichter 31, der sich an den Ventilsitz 34a anschließt, wobei ein Wastegate-Öffnungsquerschnitt durch einen Trichterspalt 44 zwischen dem Außenrand des Ventiltellers 34 und der Wand des Auslasstrichters 31 des Wastegate-Ventils 32 im Turbinengehäuse 9 vorgegeben ist.
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In weiterer Ausgestaltung des vorgenannten vierten Ausführungsbeispiels ist die Turbine dadurch gekennzeichnet, dass das Linearventilelement 35a einen zwischen dem Ventilteller 34 und dem Verstellschaft 33 angeordneten Ventilkörper aufweist, der als Schieberplatte 36a ausgebildet ist und in einer korrespondierenden nutförmigen oder taschenförmigen Schieberausnehmung 45 in der zwischen den beiden Fluten 22 und 23 vorgesehenen Trennwand 21 geführt ist, wobei die Trennwand 21 im Bereich der Schieberausnehmung 45 eine Durchgangsausnehmung 42 aufweist, die die Trennwand 21 senkrecht zur Trennwandebene durchdringt und die in einer ersten Ventilstellung durch die Schieberplatte 36a des Linearventilelements 35a verschlossen ist, wobei die Durchgangsausnehmung 42 bei einem fortschreitenden Ventil-Öffnungshub VH des Linearventilelements 35a von der Schieberplatte 36a mit in Abhängigkeit vom Ventil-Öffnungshub VH ansteigendem Flutenverbindungsquerschnitt freigegeben wird.
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Die 19, 20 und 21 zeigen eine mögliche konkrete Gestaltung des vierten Ausführungsbeispiels, auf die das vierte Ausführungsbeispiel jedoch nicht beschränkt ist.
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Aus der Betrachtung der 19, 20 und 21 in Kombination sind insbesondere die Ausgestaltung des Ventilkörpers als flache Schieberplatte 36a und die Anordnung der Durchgangsausnehmungen 42 und 43 in der Schieberplatte 36a und der Trennwand 21 ersichtlich. Es ist weiterhin ersichtlich, dass dieses Linearventil 35 einen als Rundklappenteller realisierten Ventilteller 34 zur dichtenden Auflage auf einem Ventilsitz 34 und einen Verstellschaft 33 aufweist.
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Die zwischen den beiden Fluten 22 und 23 vorgesehene Trennwand 21 weist eine nutförmige oder taschenförmige Schieberausnehmung 45 und eine, hier rechteckig dargestellte Durchgangsausnehmung 42 auf, die die Trennwand im Bereich der Schieberausnehmung senkrecht zur Trennwandebene durchdringt.
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Die Schieberplatte 36a weist ebenfalls eine, hier rechteckig dargestellte, Durchgangsausnehmung 43 auf, die die Schieberplatte 36a senkrecht zur Schieberplattenebene durchdringt. Die Schieberplatte 36a ist des Weiteren mit dem Verstellschaft 33 verbunden oder einstückig mit diesem ausgebildet.
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Statt einer solchen Durchgangsausnehmung 43 in der Schieberplatte 36a, kann die Schieberplatte beispielsweise auch einfach verkürzt, mit einem entsprechend verlängerten Verstellschaft 33, ausgebildet sein. Jedoch darf die Schieberplatte 36a nur so weit verkürzt sein, dass, im geschlossenen Zustand des Linearventils 35, die Durchgangsausnehmung 42 in der Trennwand 21 vollständig abgedeckt, also geschlossen ist.
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Der als Schieberplatte ausgebildete Ventilkörper 36 ist in einer korrespondierenden nut- oder taschenförmigen Schieberausnehmung 45 in der Trennwand 21 geführt. Die Positionierung der Durchgangsausnehmung 43 in der Schieberplatte 36a und die Positionierung der Durchgangsausnehmung 42 in der Trennwand 21 im Bereich der nut- oder taschenförmigen Schieberausnehmung 45 ist so gewählt, dass bei geschlossenem Linearventil 35 die Durchgangsausnehmung 43 in der Schieberplatte 36a durch die Trennwand 21 abgedeckt ist und die Durchgangsausnehmung 42 in der Trennwand 21 durch die Schieberplatte 36a geschlossen ist, sowie die Wastegate-Öffnung 13 durch den Ventilteller 34 geschlossen ist.
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Durch eine Linearbewegung des Linearventilelements 35a mittels des Verstellschaftes 33 in Öffnungsrichtung wird der Ventilteller 34 zusammen mit der Schieberplatte 36a linear so verschoben, dass die Durchgangsausnehmung 43 in der Schieberplatte 36a zunehmend mit der Durchgangsausnehmung 42 in der Trennwand 21 zur Überschneidung kommt und so einen Flutenverbindungsquerschnitt freigibt, so dass die beiden Fluten 22 und 23 fluidtechnisch miteinander verbunden sind.
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Gleichzeitig wird der Ventilteller 34 vom Ventilsitz 34a abgehoben und ein Wastegate-Öffnungsquerschnitt freigegeben, der im Wesentliche durch den Trichterspalt 44 zwischen dem Außenrand des Ventiltellers 34 und dem Auslasstrichter 31 des Wastegate-Ventils vorgegeben ist.
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Der Flächenverlauf der Flutenverbindung im Verhältnis zum Ventil-Öffnungshub des Linearventilelements 35a kann dabei über die Form und Dimensionierung der Durchgangsausnehmungen 42 und 43 in der Schieberplatte 36a und der Trennwand 21 in gewünschter Weise gestaltet werden.
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Die 22 zeigt Darstellungen zur Veranschaulichung des Öffnungsverlaufs des Flutenverbindungsquerschnitts in Abhängigkeit vom Ventil-Öffnungshub des Linearventils 35. Es ist ersichtlich, dass bei einem Öffnen der Flutenverbindung durch Überlappung der Durchgangsausnehmungen 42 und 43 der geöffnete Flutenverbindungsquerschnitt zunächst linear ansteigt, wie es im Bereich d des Ventil-Öffnungshubs im linken Diagramm der 22 mit einer gestrichelten Linie veranschaulicht ist. In dem in der 22 gezeigten Bereich e bleibt die Querschnittsfläche der Flutenverbindung konstant, bis das Linearventil vollständig geöffnet ist, da in diesem Bereich die maximale Öffnung der Durchgangsausnehmung 42 in der Trennwand 21 freigegeben bleibt.
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Des Weiteren ist in der 22 veranschaulicht, dass, in diesem Ausgestaltungsbeispiel, für den geöffneten Flutenverbindungsquerschnitt f, bei rechteckiger Ausgestaltung der Durchgangsausnehmungen 42 und 43 die folgende Beziehung gilt: f = g × h, wobei g die Breite der Durchgangsausnehmungen 42 und 43 ist und h die durch die Durchgangsausnehmung 43 der Schieberplatte 36a freigegebenen Öffnungshöhe der Durchgangsausnehmungen 42 ist.
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Die 23 zeigt eine Schnittdarstellung zur Veranschaulichung eines fünften Ausführungsbeispiels für die Erfindung, die eine Abwandlung des in den 19 und 20 gezeigten Beispiels darstellt. Bei diesem fünften Ausführungsbeispiel ist die Anordnung und Dimensionierung der Durchgangsausnehmungen 42 und 43 derart gewählt, dass bei einer fortschreitenden Öffnung des Linearventils 35 aus dem geschlossenen Zustand zunächst der Ventilteller 34 die Wastegate-Öffnung freigibt und dass die Öffnung des Flutenverbindungsquerschnitts verzögert erfolgt. Um dies zu erreichen, muss die in der Schieberplatte 36a vorgesehene Durchgangsausnehmung 43 derart in der Schieberplatte 36a angeordnet sein, dass ausgehend von der geschlossenen Position des Linearventils der Verstellschaft 33 und die Schieberplatte 36a erst um einen vorgegebenen Ventil-Öffnungshub (VH) verschoben werden müssen, bevor ein Flutenverbindungsquerschnitt, gegenüber der Öffnung des Wastegate-Öffnungsquerschnittes verzögert, freigegeben wird.
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Die 24 zeigt eine Schnittdarstellung zur Veranschaulichung eines sechsten Ausführungsbeispiels für die Erfindung, welches insbesondere in Kombination oder Abwandlung des vorausgehenden vierten oder fünften Ausführungsbeispiels verwendet werden kann. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist zum Zwecke einer gezielten Gestaltung des Wastegate-Massenstroms in Abhängigkeit vom Ventil-Öffnungshub ein bestimmter, geeignet dimensionierter, sich gegebenenfalls in Abhängigkeit vom Ventil-Öffnungshub verändernder Trichterspalt 44 zwischen dem Außenrand des Ventiltellers 34 und der benachbarten Gehäusewand eines Auslasstrichters 31 des Wastegate-Ventils im Turbinengehäuse 9 vorgesehen. Dadurch kann, wie in diesem Beispiel gezeigt, der Wastegate-Öffnungsquerschnitt über einen vergleichsweise großen Ventil-Öffnungshub des Linearventils 35 auf einem konstanten Niveau gehalten werden, da sich der Trichterspalt 44 zwischen dem Außenrand des Ventiltellers 34 und der benachbarten Trichterwand zunächst nicht ändert. Erst nach dem Erreichen eines ausreichend großen Ventil-Öffnungshubes wird der Trichterspalt 44 aufgrund einer in diesem Bereich kegelförmigen Erweiterung des Auslasstrichters 31 des Wastegate-Ventils mit zunehmendem Ventil-Öffnungshub größer, was eine Zunahme des Wastegate-Öffnungsquerschnittes mit sich bringt.
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Diese Zunahme des Wastegate-Öffnungsquerschnitts ist in der 25 veranschaulicht, in welcher auf der linken Seite das im Vergleich zur 24 weiter nach links, in Öffnungsrichtung, verschobene Linearventilelement 35a dargestellt ist. Des Weiteren ist aus der 25 ersichtlich, dass der Trichterspalt 44 zwischen dem radialen Außenrand des Ventiltellers 34 und der benachbarten Auslasstrichterwand aufgrund der in diesem Bereich des Turbinengehäuses vorgesehenen kegelförmigen Ausgestaltung des Auslasstrichters 31 des Wastegate-Ventils zunehmend größer wird.
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Die 26 zeigt beispielhafte Darstellungen zur Veranschaulichung verschiedener Konturen des Trichtermantels des Auslasstrichters 31 des Wastegate-Ventils, die unterschiedliche Ausführungsvarianten des sechsten Ausführungsbeispiels aufzeigen.
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Die entsprechenden Ausführungsvarianten sind dadurch gekennzeichnet, dass die Form des Auslasstrichters 31 bestimmt ist durch eine kreisförmige oder eine dreieckige oder eine rechteckige oder eine vieleckige Grundfläche, gepaart mit einer Kontur der Trichter-Mantelflächen in Form von einer Kegelgeometrie oder einer Zylindergeometrie oder einer kreis-, parabel- oder hyperbelförmig sich erweiternden Geometrie oder durch Kombinationen aus zwei oder drei der vorgenannten geometrischen Konturen, so dass der Wastegate-Öffnungsquerschnitt abhängig ist vom Ventil-Öffnungshub VH in Kombination mit der vorgegebenen Form des Auslasstrichters.
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Dabei ist in 26 der jeweilige Auslasstrichter 31 ausgehend von einer rotationssymmetrischen Ausgestaltung, also einer kreisförmigen Grundfläche, jeweils im Halbschnitt dargestellt. Selbstverständlich kann, abhängig von bzw. in Übereinstimmung mit der Umfangsgeometrie des Ventiltellers, der jeweilige Auslasstrichter 31 auch eine dreieckige, rechteckige oder vieleckige Grundfläche gepaart mit den in 26 qualitativ dargestellten Konturen der Trichter-Mantelflächen aufweisen. Die 26a) bis 26l) zeigen alternative Konturen der Trichter-Mantelflächen von einer einfachen Kegelgeometrie (26a) und einer Zylindergeometrie (26c), über eine kreis-, parabel- oder hyperbelförmig sich erweiternde Geometrie (26d), 26e), 26f)) bis hin zu Kombinationen aus zwei oder drei der vorgenannten Geometrien (26g) bis 26l)). Darüber hinaus sind weitere Kombinationen möglich, die je nach dem gewünschten Verlauf des Wastegate-Öffnungsquerschnitts in Abhängigkeit vom Ventil-Öffnungshub gestaltet werden können.
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Bei allen diesen Konturen geht eine weitere Öffnung des Linearventils einher mit einer Vergrößerung des Wastegate-Öffnungsquerschnitts, bei welcher der Spalt zwischen dem Ventiltelleraußenrand und der Wand des Auslasstrichters in Abhängigkeit vom der Ventil-Öffnungshub in gewünschter Weise eingestellt werden kann.
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Die 27 zeigt weitere Beispiele für die Modifizierung der Mantelkonturen des Auslasstrichters des Wastegate-Ventils im Turbinengehäuse. In den gezeigten Beispielen 27a) bis 27f) liegt der Geometrie des jeweiligen Auslasstrichters 31 jeweils eine kreisförmigen Grundfläche und eine zylinderförmige Kontur zugrunde. Die Modifikationen bestehen dabei in der Anordnung von in axialer Richtung des Auslasstrichters 31 verlaufenden, über den Umfang des Auslasstrichters 31 verteilten Kerben, Nuten oder Ausbuchtungen unterschiedlicher Geometrie und Ausprägung. Beispielsweise kann der Querschnitt der Kerben, Nuten oder Ausbuchtungen halbrund, halbelliptisch, v-förmig oder rechteckig ausgebildet sein. Dabei kann die Tiefe und/oder Breite der Kerben, Nuten oder Ausbuchtungen über deren axialen Verlauf konstant ausgebildet sein oder sich über den axialen Verlauf kontinuierlich oder stufenweise ändern. Diese Modifikationen dienen zur Vergrößerung oder Anpassung der bei vorgegebenem Ventil-Öffnungshub freigegebenen Querschnittsfläche zwischen Außenumfang des Ventiltellers 34 und der Wand des Auslasstrichters 31 des Wastegate-Ventils.
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Die vorstehend beschriebene Erfindung stellt nach alledem eine Turbine für einen Abgasturbolader bereit, welche zwei von einem Abgas durchströmbare Fluten aufweist, zwischen denen eine Trennwand vorgesehen ist. Des Weiteren ist ein als Linearventil ausgebildetes Wastegate-Ventil vorgesehen, welches ein Linearventilelement mit einem Verstellschaft aufweist, wobei das Linearventilelement durch die zwischen den Fluten vorgesehene Trennwand geführt ist. Vorzugsweise ist das Linearventilelement zentrisch zu einer Wastegate-Öffnung des Turbinengehäuses geführt. In vorteilhafter Weise ist das Linearventilelement dazu vorgesehen, die Wastegate-Öffnung und eine Flutenverbindung zwischen den beiden Fluten freizugeben oder zu sperren. Dabei besteht eine vorteilhafte Ausgestaltung darin, einen Ventilkörper vorzusehen und so auszubilden, dass zuerst ein Wastegate-Öffnungsquerschnitt freigegeben wird, ohne zunächst die Flutenverbindung zu öffnen. Erst bei weiterer Zunahme des Ventil-Öffnungshubes des Linearventilelements, also einem weiteren Öffnen des Linearventils wird auch der Flutenverbindungsquerschnitt zunehmend freigegeben.
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Durch die Verwendung eines Linearventils ergeben sich Vorteile, die in reduzierten Kosten aufgrund einer Verwendung von weniger Einzelteilen und weniger Fügevorgängen, einem reduzierten Bauraumbedarf, einem größeren Freiheitsgrad bei der Gestaltung des Ventilkörpers und einem weniger verschleißanfälligen Design aufgrund kleinerer Spiele bestehen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013002894 A1 [0013, 0013]
- DE 102010008411 A1 [0013, 0015]
